Science: 60多年来首次验证 - 位错在材料中的传播速度比声波的速度更快- 大数跨境

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Science: 60多年来首次验证 - 位错在材料中的传播速度比声波的速度更快

两江科技评论

2023-10-07

导读：点击蓝字关注我们线缺陷（位错）的运动已经研究了60多年，但它们的最大运动速度仍是未解之谜。尽管并不否认存在跨

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线缺陷（位错）的运动已经研究了60多年，但它们的最大运动速度仍是未解之谜。尽管并不否认存在跨音速位错的可能性，研究者最近的模型和原子模拟预测了在跨音速和亚音速范围之间存在一个位错运动的极限速度，此时位错能够自能发散。

近日，大阪大学、日本同步辐射研究所、斯坦福大学等研究团队首次报道通过实验证据直接测量位错通过材料传播的速度，利用飞秒X射线摄影证明了位错在单晶金刚石中的传播速度比声波的速度更快。相关研究成果以 “ Transonic dislocation propagation in diamond ” 为题发表在国际著名期刊Science 上。

使用飞秒X射线摄影技术来跟踪冲击压缩单晶金刚石中的超快位错运动。通过观察叠加断层的扩展速度比金刚石最慢的声波速度还要快，展示了其前缘部分位错跨声速移动的证据。了解晶体中位错迁移率的上限对于准确建模、预测和控制极端条件下材料的力学性能至关重要。

图1. 受激金刚石的飞秒x射线。

(A)金刚石样品受到光学激光照射驱动的冲击波的应力。原位x射线成像是通过使用飞秒XFEL脉冲，垂直于冲击波的传播轴照射样品来测量的。氟化锂(LiF)晶体放置在XFEL下游，以收集透射x射线的空间强度分布。(B)我们使用LiF晶体捕获的具有代表性的图像，以显示沿冲击方向传播的弹塑性冲击波前。在塑性波前后面，层错呈现为暗带和亮带，表明存在与塑性激波前一起传播的部分位错(品红色箭头)。黄色虚线的作用是引导眼睛看到辐射。

图2. 堆叠层错的可视化。

(A)钻石沿[100]方向震荡的x射线图像。每个图像上的数字表示相对于驱动激光照射的XFEL探针定时。在整个视野中出现的垂直线是钻石未抛光侧面的纹理。这两个具有同心圆散射图案的大圆是由XFEL上游铍窗上的碎片散射引起的。(B)具有相应平面取向的未变形的金刚石晶格结构。(C)快速傅里叶变换(FFT)滤波后的图像显示了在16ns镜头中观察到的叠加层错。对应的区域用(A)中的黄色虚线矩形表示。橙色箭头用于引导眼睛指向与菱形{111}平面不平行的条带之一。(D)钻石沿[110]方向受到冲击时的x射线摄影图像。12ns图像与图1B中所示的图像相同。(E)显示平面方向的未变形晶格结构。(F) 16 ns[110]激波的FFT滤波图像。(C)和(F)中所示角度的误差表示多次测量的1σ。

图3. 受激金刚石中的跨音速位错运动。

(A)测量到的位错在金刚石中的传播距离(x_d)随XFEL延迟(t)的变化。x_d= 0 μm表示烧蚀器与金刚石之间的界面，t=0 ns表示激光到达烧蚀器的时间。蓝色圆圈和红色方块分别代表在[100]和[110]激波方向上的实验结果。所记录的位错传播速度(v_d)由线性拟合(实线)的斜率获得。每个图上的误差条表示多次测量的1σ。x_d上显示的误差条中不包括驱动激光强度的逐次波动。v_d上的误差是根据拟合的1σ和每个图上的误差来评估的。(B) v_d与金刚石在激波状态下的物质密度(ρ)的关系。黑色曲线为计算出的金刚石沿[110]方向传播的c₁、c₂和c₃。ρ的误差条由塑性激波速度的误差传播。

综上，作者使用世界上最亮的X射线激光器之一的原位X射线照相显示了金刚石中跨音速位错运动的实验证据，导致形成跨越塑性变形体积的许多堆垛层错。发射辐射的微观位错运动可能会影响宏观弹塑性变形动力学。同时，实验结果显示了跨音速位错运动，为完善模型以深入了解这些极端条件下的超快变形行为提供了关键的新机会。在最高应变率下新改进的模型将对许多领域产生显著的影响，包括结构材料的超快断裂，地震破裂的预测和分析，精确的制造工艺和电化学应用中的功能。

原文链接

https://www.science.org/doi/full/10.1126/science.adh5563

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